Вот уже почти два месяца идет прием заявок на премию для ученых, внедряющих нанотехнологии в промышленное производство. Как выясняется, российским ученым есть, что показать на этом престижном конкурсе. В этой статье рассказывается про два направления технологий, связанных с алмазной формой углерода.

Конкурс – это всегда состязание, премию RUSNANOPRIZE за достижения в области нанотехнологий получит только один человек или коллектив ученых. Имена трех лучших претендентов (short-list) будут названы в конце сентября, а собственно победитель будет определен решением Комитета Премии в октябре. Однако процесс подготовки к конкурсу тоже интересен: он позволяет увидеть целый спектр достижений, которые при обычных условиях остаются неизвестными.

Нанотехнологическое общество России содействует организаторам Премии в части привлечения потенциальных номинантов. В ходе этой работы становится очевидно, что в России, действительно, есть очень серьезные наработки практически во всех направлениях создания наноматериалов и модификации поверхности (именно так обозначена тематика Премии в этом году). Многие российские научные центры в связке с производственными предприятиями уже представили в Дирекцию Премии заявки, которые полностью конкурентоспособны на мировом уровне. Больше того, темы некоторых работ позволяют обнаружить новые тренды в мировом технологическом развитии. Приведу здесь два направления, которые лично мне показались весьма перспективными и востребованными, как международной наукой, так и международной промышленностью.

Маленькие алмазы с большими возможностями

Еще лет 15 назад большим прорывом считали саму возможность получения ультрадисперсных алмазов детонационным методом. Это оказалось в самом деле очень просто и относительно дешево: в специальную камеру помещают взрывчатку (например, из подлежащих утилизации боеприпасов), подрывают ее и при определенных условиях в полученной шихте содержится до 70% углерода в форме алмаза в виде наночастиц размером около 5 нм.

Интерес к наноалмазам со стороны ученых связан с большим потенциалом практического использования. Вот лишь несколько областей, где эффекты могут быть особенно заметны:

• Присадки к смазочным материалам: будучи диспергированы в масле наноалмазы создают особый слой на поверхности трущихся деталей. Во-первых, они диффундируют на несколько микрон вглубь металла, делая саму поверхность более твердой, во-вторых, они заполняют микронеровности, и, наконец, в-третьих, агрегаты из алмазных наночастиц выступают в роли микроподшипников – маленьких и очень твердых шариков, которые катятся по поверхности и уменьшают трение. В результате присадки с наноалмазами увеличивают ресурс, скажем, автомобильного двигателя до 50%.
• Модификаторы для электрохимических покрытий: в большинстве электролитных растворов наночастицы алмаза заряжены, а значит, могут взаимодействовать с ионами и участвовать в процессе электрохимического осаждения. При определенных условиях соосаждение металлов с наноалмазами делает покрытие существенно более прочным и устойчивым к коррозии.
• Основа для доставки низкомолекулярных соединений в живые клетки. Наноалмазы в силу своего размера способны проникать сквозь барьер клеточной мембраны, однако их распределение неодинаково в разных типах клеток. В частности, опухолевые клетки их накапливают. Если к поверхности частицы пришить цитотоксические молекулы, то такой «пакет» становится эффективным и нетоксичным для всего организма противоопухолевым препаратом.

Сегодня острие разработок направлено на то, чтобы наноалмазные частицы выделить в максимально чистом виде, а также на то, чтобы модифицировать их поверхность, для придания им промышленно ценных качеств. Как оказалось, одним из самых передовых в этом направлении (в мире!) сегодня считается научный центр в Санкт-Петербурге, с производственной площадкой ФГУП СКТБ «Технолог». Примерно год назад большая статья про экономические аспекты технологии наноалмазов питерского центра была напечатана в журнале «Эксперт». К этому можно добавить, что в рамках международного сотрудничества (в частности, с Международным Технологическим Центром г. Релей, США) ведется работа по разработке и коммерциализации новейших технологий модификации поверхности наноалмазов, прежде всего, для биомедицинских применений.

Синтетические алмазы – лучшие друзья… физиков

В Троицком институте сверхтвердых и новых углеродных материалов (ТИСНУМ) дальше всех других мировых центров продвинулись в технологиях роста искусственных кристаллов углерода в форме алмаза. Причем искусственные алмазы принципиально отличаются от своих природных аналогов, в синтетических кристаллах удается контролировать содержание примесей и дефектов на атомарном уровне. В том числе, кристаллы могут быть практически бездефектными.

Именно бездефектность синтетических алмазов и контроль параметров изготавливаемых из них пластин позволили создать Брэгговские зеркала для рентгеновского излучения с коэффициентом отражения 98–99%. Такие зеркала, например, были использованы в экспериментах, проведенных в Национальной ускорительной лабораторией SLAC США с лазером на свободных электронах XFEL (X-ray free-electron laser). Благодаря уникальным характеристикам алмазных зеркал, были получены беспрецедентные результаты по таким параметрам, как сужение лазерной линии и монохроматичность излучения. Это, в свою очередь, открывает новые возможности для томографических исследований на атомарном уровне, т.е. даст новые знания о строении биологических молекул и искусственных наноструктур.

Другое направление использования синтетических алмазов – микроэлектроника. Алмазные подложки для многих промышленно важных применений позволяют обойти ограничения, которые возникают на традиционных подложках из кремния или сапфира. Например, благодаря высокой теплопроводности алмаза, можно создавать уникальные по характеристикам высокотемпературные диоды Шоттки и устройства на их основе. Для микро- и наноэлектронники полезной оказывается возможность строго контролируемо привносить примеси в структуру алмаза.

Наконец, традиционное применение алмаза – для измерения твердости других материалов – в ТИСНУМ вывели на новый технологический уровень. Алмазная пирамидка, закрепленная на специальном зондовом датчике и соединенная с механизмом для прецизионного сканирования – таково простейшее описание схемы сканирующего нанотвердомера. Прибор под торговой маркой НаноСкан-3D позволяет картировать твердость поверхности с разрешением до нескольких нанометров, а также изучать характеристики трения и свойства тонких пленок. Тоже в масштабе нанометров. Прибор конкурентоспособен с лучшими мировыми аналогами и его преимуществами уже воспользовались многие зарубежные лаборатории.

Прием заявок на премию RUSNANOPRIZE 2013 продолжается, а это значит, что смотр отечественных технологий и примеров их успешного внедрения тоже можно будет продолжить. На официальном сайте Премии www.rusnanoprize.ru можно найти условия участия, а на электронный адрес Нанотехнологического общества России orgnanosociety@mail.ru можно присылать предложения по кандидатам. Мы все заинтересованы, чтобы в конкурсе приняло участие как можно больше сильных заявок. Тогда и победа лауреата будет более значимой, и мы будем больше знать об успешных научных коллективах в России, которые создают новые технологии и внедряют их в промышленное производство.